JP4253063B2 - 円筒面シール補助機構 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、軸の外周面と、その外周に配置されたシールリングの内周面との間にシール面が形成される円筒面シールにおいて、この円筒面シールによるシール機能を補助するためのシール補助機構に関する。
【０００２】
【従来の技術】
円筒面シールには、図５に示すようなセグメントシール１０１や、図６に示すようなフローティングリングシール１０１’がある。いずれも、基本的には回転軸１０３の外周に配置されたハウジング１１１に円周方向連続して形成され内周及び軸方向一側が開放された円周凹部１１２に、環状の密封要素１１３が非回転状態に保持された構成を有するものであって、前記密封要素１１３の内周面と回転軸１０３の外周面との間に円筒面状の動的シール面ＳＳ１を形成すると共に、前記密封要素１１３の軸方向一端面とハウジング１１１の径方向面１１１ａとの間に静止シール面ＳＳ２を形成することによって、相対的に高圧のエア雰囲気である空間ＳＨと、例えばミスト雰囲気である相対的に低圧の空間ＳＬとの間を軸周において遮蔽するものである。
【０００３】
セグメントシール１０１は、密封要素１１３が、内周側の円周方向複数のシールリングセグメント１１３Ａと、外周側の円周方向複数のカバーリングセグメント１１３Ｂ及び図示されていない複数のキー等からなる集合体であって、それらの外周に装着されたエキステンションスプリング１１４で環状に結束されたものであるため、この密封要素１１３は、各シールリングセグメント１１３Ａの内周面が回転軸１０３の外周面との摺接によって摩耗されるのに追随して、縮径方向に変位される。これに対し、フローティングリングシール１０１’は、密封要素（フローティングリング）１１３が円周方向に連続しており、この密封要素１１３は、回転軸１０３の外周面との間の僅かな隙間に軸回転時に発生する動圧によって、回転軸１０３の外周面と非接触状態となるものである。
【０００４】
上述したセグメントシール１０１やフローティングリングシール１０１’のような円筒面シールにおいては、そのシール機能を補助するために、シール本体の下流側（低圧空間ＳＬ側）にネジシール状のシール補助機構１０２が設けられることがある。従来のシール補助機構１０２は、ハウジング１１１に一体的に形成された筒状部１１５と、この筒状部１１５の内周面に形成された螺旋溝１１６とからなるもので、図５及び図６の例においては、セグメントシール１０１及びフローティングリングシール１０１’は、空間ＳＨの高圧エアを相対的に低圧の空間ＳＬに対してシールし、シール補助機構１０２は、前記空間ＳＬからセグメントシール１０１あるいはフローティングリングシール１０１’へ侵入しようとするミスト混合気体を、回転軸１０３の回転による摩擦で、螺旋溝１１６に沿って周回させながら空間ＳＬへ排出するものである。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記従来技術による円筒面シール補助機構においては、流体が螺旋溝１１６に沿って筒状部１１５の内周を何度も周回しながら排出されることになるので排出経路が長くなり、いったんセグメントシール１０１あるいはフローティングリングシール１０１’の近傍まで入り込んだ流体は容易に排出されにくい。また、螺旋溝１１６による流体排出作用は、回転軸１０３の回転方向に依存するものであるため、その回転方向に応じて、螺旋溝１１６の方向を選択する必要がある。
【０００６】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、その主な技術的課題は、円筒面シールに対するシール補助機能を向上させると共に、シール機能が軸回転方向に依存されない構造とすることにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上述した従来の問題は、本発明によって有効に解決することができる。
すなわち本発明に係る円筒面シール補助機構は、回転軸の外周に配置されたハウジングに円周方向連続して形成され内周及び軸方向一側が開放された円周凹部に、環状密封要素が非回転状態に保持され、この環状密封要素の内周面と回転軸の外周面との間に動的シール面が形成される円筒面シールにおいて、前記ハウジングにおける低圧空間側に筒状体が形成され、前記筒状体の内周面に、前記回転軸の外周面と近接対向するテーパ状開口面が形成され、このテーパ状開口面は、前記円周凹部と反対側へ向けて漸次大径となり、前記テーパ状開口面に、軸方向に延びる多数の溝が円周方向所定間隔で形成されているものである。
なお、ここでいう円筒面シールとは、先に説明したセグメントシールやフローティングリングシールを総称するものである。
【０００８】
上記構成によると、ハウジングの筒状体の内周面に形成されたテーパ状開口面と回転軸の外周面との間に介在する流体は、回転する軸外周面との摩擦により周回され、その遠心力によって、前記テーパ状開口面に向けて飛散される。テーパ状開口面は円筒面シールと反対側へ向けて漸次大径に形成されているため、前記遠心力によって円筒面シールと反対側へ向けて排出力を生じる。
【０００９】
また、本発明においては、テーパ状開口面に、軸方向に延びる多数の溝を円周方向所定間隔で形成する。すなわち、テーパ状開口面に形成した軸方向溝は、遠心力によりこのテーパ状開口面に達した流体を軸方向へ案内するものである。これによって流体の排出作用を向上させることができる。
また、本発明において一層好ましくは、テーパ状開口面と対向する回転軸の外周面に、軸方向に延びる多数の溝を円周方向所定間隔で形成する。すなわち、回転軸の外周面に形成した軸方向溝は、流体に対する摩擦による投げ出し作用を増大させて、一種のインペラー機能を与えるものである。これによって流体の排出作用を向上させることができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明に係るシール補助機構を円筒面シールであるセグメントシールに設けた第一の実施形態を示す半断面図である。この実施形態において、セグメントシール１は、先に従来技術において説明した図５に示すセグメントシール１０１と基本的にはほぼ同様の構成を有するものであって、すなわち、回転軸３の外周に配置され機体（図示省略）に取り付けられたハウジング１１の内周部には、内周及び空間ＳＨ側が開放された円周凹部１２が形成され、この円周凹部１２内には、環状の密封要素１３が非回転状態で収容されている。
【００１１】
密封要素１３は、ステップ状に形成された円周方向両端１３１，１３２同士を円周方向摺動自在に摺り合わされた状態で、かつ互いに円周方向隙間Ｇをもって環状に組み合わされた密封要素である円弧状の複数のシールリングセグメント１３Ａと、その外周に配置された円弧状の複数のカバーリングセグメント１３Ｂとの集合体であり、カバーリングセグメント１３Ｂの外周に装着されたエキステンションスプリング１４で環状に結束されたものである。
【００１２】
ハウジング１１の円周凹部１２における空間ＳＨ側の端部近傍の段差面には、環状の端盤１５が止め輪１５ａによって固定されており、この端盤１５と密封要素１３との間には、各シールリングセグメント１３Ａに対応した複数のコンプレッションスプリング１６が軸方向に適宜圧縮された状態で配置されている。
【００１３】
円周方向に隣り合うカバーリングセグメント１３Ｂの間にはキー（図示省略）が各シールリングセグメント１３Ａの外周面と係合した状態で介在されており、このキーが、ハウジング１１の径方向面１１ａに打ち込まれたノックピン（図示省略）と遊嵌係合することによって、密封要素１３が非回転状態に保持される。また、前記キーとノックピンが遊嵌係合していることによって、密封要素１３は径方向へ変位することができる。
【００１４】
各シールリングセグメント１３Ａの内周面には、高圧側の空間ＳＨの圧力によって回転軸３に対するシールリングセグメント１３Ａの接触荷重が過大になるのを防止するために、高圧空間ＳＨ側に開放された圧力バランス溝１３３が形成されている。すなわち、この圧力バランス溝１３３にも高圧空間ＳＨの圧力が導入されることによって、シールリングセグメント１３Ａを回転軸３の外周面に押し付けるように作用する圧力が相殺される。
【００１５】
すなわち上記構成を備えるセグメントシール１は、エキステンションスプリング１４の縮径方向の付勢力によって、非回転である密封要素１３の各シールリングセグメント１３Ａの内周面が、回転軸３の外周面に密接されて動的シール面ＳＳ１を形成すると共に、軸方向一端面が、端盤１５に支持された円周方向複数のコンプレッションスプリング１６の軸方向付勢力によって、円周凹部１２におけるハウジング１１の径方向面１１ａに密接されて静止シール面ＳＳ２を形成し、空間ＳＨの相対的に高圧の空気が、例えばミスト雰囲気である相対的に低圧の空間ＳＬへ流入するのを防止するものである。シールリングセグメント１３Ａ及びカバーリングセグメント１３Ｂ等からなる集合体である密封要素１３は径方向へ変位することができるため、回転軸３がハウジング１１に対して偏心するようなことがあっても前記密封要素１３はこれに追随し、常にシールリングセグメント１３Ａの内周面と回転軸３の外周面との密接状態が維持される。
【００１６】
また、各シールリングセグメント１３Ａの内周面は回転軸３の外周面との摺接によって長期間の使用のうちに徐々に摩耗されるが、シールリングセグメント１３Ａは、エキステンションスプリング１４の縮径方向付勢力によって、円周方向両端１３１，１３２における隙間Ｇの縮小を伴いながら前記摩耗に追随して回転軸３側へ変位する。このため、前記両端１３１，１３２が円周方向に互いに衝合状態となって、隙間Ｇが消滅してしまうまで摩耗が進行しない限り、常にシールリングセグメント１３Ａの内周面は回転軸３の外周面に対する密接状態を維持し、所要の密封性能を発揮する。
【００１７】
ハウジング１１における低圧空間ＳＬ側（下流側）の端部内周には筒状体２１が一体的に形成されており、この筒状体２１の内周は、円周凹部１２の内周から延びて前記回転軸３の外周面と近接対向するテーパ状開口面２２となっている。このテーパ状開口面２２は、前記円周凹部１２と反対側へ向けて漸次大径になるように傾斜角θで形成され、これによってセグメントシール１の下流側におけるシール補助機構２が構成されている。
【００１８】
上記シール補助機構２において、空間ＳＬ内のミスト混合気体の一部が筒状体２１（テーパ状開口面２２）と回転軸３の外周面との間の狭まり隙間２３に侵入すると、このミスト混合気体は、回転軸３の外周面との摩擦により周回されるので、遠心力によってテーパ状開口面２２へ向けて飛散され、このテーパ状開口面２２に押し付けられることによって、前記狭まり隙間２３をセグメントシール１と反対側へ流れ、空間ＳＬへ排出される。そしてこの排出方向は、回転軸３の回転方向には依存されない。
【００１９】
次に、図２は本発明に係る第二の実施形態を示すもので、（Ａ）は軸心を通る平面で切断した半断面図、（Ｂ）は（Ａ）のＢ−Ｂ’断面図である。この実施形態によるシール補助機構２において、上述した第一の実施形態と異なる点は、回転軸３の外周面に、筒状体２１によるテーパ状開口面２２の内周に位置して、軸方向に延びる多数の溝２４を円周方向等間隔で形成したことにある。この溝２４は、一端２４ａが筒状体２１におけるハウジング１１側の基部内周に達し、他端が前記筒状体２１の端部２１ａよりも外側（空間ＳＬ側）に達している。なお、セグメントシール１は図１と同様である。
【００２０】
上記構成のシール補助機構２によれば、回転軸３の外周面に形成した多数の軸方向溝２４は、一種のインペラーのように機能し、すなわち軸回転時に筒状体２１の内周の狭まり隙間２３に介在するミスト混合気体に対する顕著な投げ出し作用を有する。したがって、テーパ状開口面２２における流体排出力を増大させることができる。
【００２１】
図３は、本発明に係る第三の実施形態を示すもので、（Ａ）は軸心を通る平面で切断した半断面図、（Ｂ）は（Ａ）のＢ−Ｂ’断面図である。この実施形態によるシール補助機構２において、上述した第一及び第二の実施形態と異なる点は、筒状体２１の内周面すなわちテーパ状開口面２２に、軸方向に延びる多数の溝２５を円周方向等間隔で形成したことにある。この溝２５は、一端２５ａが筒状体２１におけるハウジング１１側の基部に達し、他端が前記筒状体２１の端部２１ａに達するものである。なお、セグメントシール１は図１と同様である。
【００２２】
上記構成のシール補助機構２によれば、回転軸との接触によって狭まり隙間２３内を周回しながら外周側へ投げ出されるミスト混合気体は、軸方向溝２５によってテーパ状開口面２２の内周を軸方向に案内されるので、周回が抑制されて最短の距離で空間ＳＬへ排出される。
【００２３】
本発明においては、図２に示す第二の実施形態の特徴と、図３に示す第三の実施形態の特徴とを併せ持った構成とすることも好ましい。すなわち、回転軸３の外周面に、筒状体２１によるテーパ状開口面２２の内周に位置して、軸方向に延びる多数の溝２４を円周方向等間隔で形成すると共に、前記テーパ状開口面２２にも、軸方向に延びる多数の溝２５を円周方向等間隔で形成する。このように構成すれば、溝２４によるインペラー作用及び溝２５による案内作用の双方の作用によって優れた排出効果を奏することができる。
【００２４】
また、上述した各実施形態は、いずれも、本発明に係るシール補助機構２をセグメントシール１において実施したものであるが、例えば図４に示す第四の実施形態のように、フローティングリングシール１’についても同様に実施することができる。この実施形態において、フローティングリングシール１’は先に説明した図６に示すフローティングリングシール１０１’と基本的には同様の構成を有するものである。
【００２５】
すなわち、ハウジング１１の円周凹部１２内には、円周方向に連続し、あるいは円周方向複数箇所で接合されることにより環状をなす密封要素としてのフローティングリング１７が収容されている。このフローティングリング１７は、ハウジング１１の径方向面１１ａに打ち込まれたノックピン（図示省略）と遊嵌係合することによって非回転状態に保持されると共に、径方向へのある程度の変位が許容されている。前記円周凹部１２における空間ＳＨ側の端部近傍に止め輪１５ａによって固定された端盤１５と、フローティングリング１７との間には、板ばね１８が適宜弾性変形を与えられた状態で配置されている。
【００２６】
フローティングリング１７の内周面と、その内周に挿通された回転軸３の外周面との間には僅かな隙間が存在しており、軸回転時にはこの隙間に介在する流体に発生する動圧によって、前記フローティングリング１７の内周面と回転軸１０３の外周面との間に非接触の動的シール面ＳＳ１が形成される。また、フローティングリング１７の軸方向一端面が、板ばね１８の軸方向付勢力によってハウジング１１の径方向面１１ａに密接され、静止シール面ＳＳ２が形成される。
【００２７】
図４に示す第四の実施形態は、上述の構成を備えるフローティングリングシール１’の下流側に、先に説明した第一の実施形態と同様のテーパ状開口面２２を有する筒状体２１によるシール補助機構２を設けたものである。そしてこの実施形態においても、第二の実施形態又は（及び）第三の実施形態と同様、回転軸３の外周面に、前記筒状体２１によるテーパ状開口面２２の内周に位置して、軸方向に延びる多数の溝２４を円周方向等間隔で形成したり、前記テーパ状開口面２２に、軸方向に延びる多数の溝２５を円周方向等間隔で形成した構成とすることが一層好ましい。
【００２８】
なお、本発明は図示の実施形態によって限定されるものではない。例えば、筒状体２１はハウジング１１と別部材として製作して、このハウジング１１に複数の螺子部材やガスケット等を介して取り付けるものであっても良い。また、溝２４，２５の大きさ、形状、本数等も任意である。
【００２９】
【発明の効果】
本発明に係る円筒面シール補助機構によれば、回転軸の外周で流体に作用する遠心力を利用して、テーパ状開口面に沿って流体を円筒面シールと反対側へ排出するものであり、その排出作用は回転軸の回転方向に依存されないため、誤装着のおそれがない。また、前記テーパ状開口面に軸方向の溝を形成することによって、流体の排出が軸方向に案内されるので最短の経路で排出することができ、回転軸の外周面に軸方向の溝を設けることによって、排出力を一層向上させることができ、しかも従来のような螺旋溝を加工する場合に比較して製作が容易であるため、安価に提供することができるといった優れた効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る円筒面シール補助機構をセグメントシールについて実施した第一の実施形態を軸心を通る平面で切断して示す半断面図である。
【図２】本発明に係る円筒面シール補助機構をセグメントシールについて実施した第二の実施形態であり、（Ａ）は軸心を通る平面で切断して示す半断面図、（Ｂ）は（Ａ）におけるＢ−Ｂ’断面図である。
【図３】本発明に係る円筒面シール補助機構をセグメントシールについて実施した第三の実施形態であり、（Ａ）は軸心を通る平面で切断して示す半断面図、（Ｂ）は（Ａ）におけるＢ−Ｂ’断面図である。
【図４】本発明に係る円筒面シール補助機構をフローティングリングシールについて実施した第四の実施形態を、軸心を通る平面で切断して示す半断面図である。
【図５】従来の円筒面シール補助機構を設けたセグメントシールを軸心を通る平面で切断して示す半断面図である。
【図６】従来の円筒面シール補助機構を設けたフローティングリングシールを軸心を通る平面で切断して示す半断面図である。
【符号の説明】
１ セグメントシール（円筒面シール）
１’ フローティングリングシール（円筒面シール）
１１ ハウジング
１２ 円周凹部
１３ 密封要素
１３Ａ シールリングセグメント
１７ フローティングリング（密封要素）
３ 回転軸
２２ テーパ状開口面
２４，２５ 溝

Claims (2)

1. 回転軸（３）の外周に配置されたハウジング（１１）に円周方向連続して形成され内周及び軸方向一側が開放された円周凹部（１２）に、環状密封要素（１３，１７）が非回転状態に保持され、この環状密封要素（１３，１７）の内周面と回転軸（３）の外周面との間に動的シール面（ＳＳ１）が形成される円筒面シールにおいて、
   前記ハウジング（１１）における低圧空間（ＳＬ）側に筒状体（２１）が形成され、前記筒状体（２１）の内周面に、前記回転軸（３）の外周面と近接対向するテーパ状開口面（２２）が形成され、
   このテーパ状開口面（２２）は、前記円周凹部（１２）と反対側へ向けて漸次大径となり、
   前記テーパ状開口面（２２）に、軸方向に延びる多数の溝（２５）が円周方向所定間隔で形成されていることを特徴とする円筒面シール補助機構。
2. テーパ状開口面（２２）と対向する回転軸（３）の外周面に、軸方向に延びる多数の溝（２４）が円周方向所定間隔で形成されていることを特徴とする請求項１に記載の円筒面シール補助機構。

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